2020年08月05日 | 了解linux-2.6.26内核中ARM中断实现

看了一些网络上关于linux中断实现的文章，感觉有一些写的非常好，在这里首先感谢他们的无私付出，然后也想再补充自己对一些问题的理解。先从函数注册引出问题吧。

一、中断注册方法

在linux内核中用于申请中断的函数是request_irq（），函数原型在Kernel/irq/manage.c中定义：

int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,
                         unsigned long irqflags, const char *devname, void *dev_id)

irq是要申请的硬件中断号。

handler是向系统注册的中断处理函数，是一个回调函数，中断发生时，系统调用这个函数，dev_id参数将被传递给它。

irqflags是中断处理的属性，若设置了IRQF_DISABLED （老版本中的SA_INTERRUPT，本版zhon已经不支持了），则表示中断处理程序是快速处理程序，快速处理程序被调用时屏蔽所有中断，慢速处理程序不屏蔽；若设置了IRQF_SHARED （老版本中的SA_SHIRQ），则表示多个设备共享中断，若设置了IRQF_SAMPLE_RANDOM（老版本中的SA_SAMPLE_RANDOM），表示对系统熵有贡献，对系统获取随机数有好处。（这几个flag是可以通过或的方式同时使用的）

dev_id在中断共享时会用到，一般设置为这个设备的设备结构体或者NULL。

devname设置中断名称，在cat /proc/interrupts中可以看到此名称。

request_irq()返回0表示成功，返回-INVAL表示中断号无效或处理函数指针为NULL，返回-EBUSY表示中断已经被占用且不能共享。

关于中断注册的例子，大家可在内核中搜索下request_irq。

在编写驱动的过程中，比较容易产生疑惑的地方是：

1、中断向量表在什么位置？是如何建立的？
        2、从中断开始，系统是怎样执行到我自己注册的函数的？
        3、中断号是如何确定的？对于硬件上有子中断的中断号如何确定？
        4、中断共享是怎么回事，dev_id的作用是？

本文以2.6.26内核和S3C2410处理器为例，为大家讲解这几个问题。

二、异常向量表的建立

在ARM V4及V4T以后的大部分处理器中，中断向量表的位置可以有两个位置：一个是0，另一个是0xffff0000。可以通过CP15协处理器c1寄存器中V位(bit[13])控制。V和中断向量表的对应关系如下：

V=0        ～        0x00000000~0x0000001C
        V=1        ～        0xffff0000~0xffff001C

arch/arm/mm/proc-arm920.S中

.section ".text.init", #alloc, #execinstr
        __arm920_setup:
        …… orr       r0, r0, #0x2100              @ ..1. ...1 ..11 ...1

//bit13=1 中断向量表基址为0xFFFF0000。R0的值将被付给CP15的C1.

在linux中，向量表建立的函数为：

init/main.c->start_kernel()->trap_init()

void __init trap_init(void)
        { 
                 unsigned long vectors = CONFIG_VECTORS_BASE;
                 …… 
                 memcpy((void *)vectors, __vectors_start, __vectors_end - __vectors_start);
                memcpy((void *)vectors + 0x200, __stubs_start, __stubs_end - __stubs_start);
                 ....
        }

在2.6.26内核中CONFIG_VECTORS_BASE最初是在各个平台的配置文件中设定的，如：

arch/arm/configs/s3c2410_defconfig中

CONFIG_VECTORS_BASE=0xffff0000

__vectors_end 至 __vectors_start之间为异常向量表。

位于arch/arm/kernel/entry-armv.S

.globl __vectors_start
__vectors_start:
        swi SYS_ERROR0:
        b vector_und + stubs_offset //复位异常:
        ldr pc, .LCvswi + stubs_offset        //未定义指令异常:
        b vector_pabt + stubs_offset        //软件中断异常:
        b vector_dabt + stubs_offset        //数据异常:
        b vector_addrexcptn + stubs_offset        //保留:
        b vector_irq + stubs_offset        //普通中断异常:
        b vector_fiq + stubs_offset        //快速中断异常:
        .globl __vectors_end:
__vectors_end:

__stubs_end 至 __stubs_start之间是异常处理的位置。也位于文件arch/arm/kernel/entry-armv.S中。vector_und、vector_pabt、vector_irq、vector_fiq都在它们中间。

stubs_offset值如下：

.equ stubs_offset, __vectors_start + 0x200 - __stubs_start

stubs_offset是如何确定的呢？（引用网络上的一段比较详细的解释）

当汇编器看到B指令后会把要跳转的标签转化为相对于当前PC的偏移量（±32M）写入指令码。从上面的代码可以看到中断向量表和stubs都发生了代码搬移，所以如果中断向量表中仍然写成b vector_irq，那么实际执行的时候就无法跳转到搬移后的vector_irq处，因为指令码里写的是原来的偏移量，所以需要把指令码中的偏移量写成搬移后的。我们把搬移前的中断向量表中的irq入口地址记irq_PC,它在中断向量表的偏移量就是irq_PC-vectors_start, vector_irq在stubs中的偏移量是vector_irq-stubs_start，这两个偏移量在搬移前后是不变的。搬移后 vectors_start在0xffff0000处，而stubs_start在0xffff0200处，所以搬移后的vector_irq相对于中断 向量中的中断入口地址的偏移量就是，200+vector_irq在stubs中的偏移量再减去中断入口在向量表中的偏移量，即200+ vector_irq-stubs_start-irq_PC+vectors_start = (vector_irq-irq_PC) + vectors_start+200-stubs_start,对于括号内的值实际上就是中断向量表中写的vector_irq，减去irq_PC是由汇编器完成的，而后面的 vectors_start+200-stubs_start就应该是stubs_offset，实际上在entry-armv.S中也是这样定义的。

三、中断处理过程

这一节将以S3C2410为例，描述linux-2.6.26内核中，从中断开始，中断是如何一步一步执行到我们注册函数的。

3.1 中断向量表 archarmkernelentry-armv.S

__vectors_start:
             swi SYS_ERROR0
             b    vector_und + stubs_offset
             ldr pc, .LCvswi + stubs_offset
             b    vector_pabt + stubs_offset
             b    vector_dabt + stubs_offset
             b    vector_addrexcptn + stubs_offset
             b    vector_irq + stubs_offset 
             b    vector_fiq + stubs_offset
             .globl   __vectors_end
        __vectors_end:

中断发生后，跳转到b vector_irq + stubs_offset的位置执行。注意现在的向量表的初始位置是0xffff0000。

3.2 中断跳转的入口位置 archarmkernelentry-armv.S

.globl   __stubs_start
    __stubs_start:
     /*
     * Interrupt dispatcher
     */
             vector_stub    irq, IRQ_MODE, 4 @IRQ_MODE在includeasmptrace.h中定义：0x12
             .long    __irq_usr @ 0 (USR_26 / USR_32)
             .long    __irq_invalid @ 1 (FIQ_26 / FIQ_32)
             .long    __irq_invalid @ 2 (IRQ_26 / IRQ_32)
             .long    __irq_svc @ 3 (SVC_26 / SVC_32)
             .long    __irq_invalid @ 4
             .long    __irq_invalid @ 5
             .long    __irq_invalid @ 6
             .long    __irq_invalid @ 7
             .long    __irq_invalid @ 8
             .long    __irq_invalid @ 9
             .long __irq_invalid @ a
             .long __irq_invalid @ b
             .long __irq_invalid @ c
             .long __irq_invalid @ d
             .long __irq_invalid @ e
             .long __irq_invalid @ f

上面代码中vector_stub宏的定义为：

.macro vector_stub, name, mode, correcTIon=0
             .align 5
        vector_name:
             .if correcTIon
             sub lr, lr, #correcTIon
             .endif
             @
             @ Save r0, lr_ (parent PC) and spsr_
             @ (parent CPSR)
             @
             stmia sp, {r0, lr} @ save r0, lr
             mrs lr, spsr
             str lr, [sp, #8] @ save spsr
             @
             @ Prepare for SVC32 mode. IRQs remain disabled.
             @
             mrs r0, cpsr
             eor r0, r0, #(mode ^ SVC_MODE)
             msr spsr_cxsf, r0 @为后面进入svc模式做准备

@
             @ the branch table must immediately follow this code
              @
             and lr, lr, #0x0f @进入中断前的mode的后4位
             @#define USR_MODE 0x00000010
             @#define FIQ_MODE 0x00000011
             @#define IRQ_MODE 0x00000012
             @#define SVC_MODE 0x00000013
             @#define ABT_MODE 0x00000017
             @#define UND_MODE 0x0000001b
             @#define SYSTEM_MODE 0x0000001f
             mov r0, sp
             ldr lr, [pc, lr, lsl #2] @如果进入中断前是usr，则取出PC+4*0的内容，即__irq_usr @如果进入中断前是svc，则取出PC+4*3的内容，即__irq_svc
             movs pc, lr @ 当指令的目标寄存器是PC，且指令以S结束，则它会把@ spsr的值恢复给cpsr branch to handler in SVC mode
             .endm
             .globl __stubs_start
       __stubs_start:
       /*
       * Interrupt dispatcher
       */
             vector_stub irq, IRQ_MODE, 4
             .long __irq_usr @ 0 (USR_26 / USR_32)
             .long __irq_invalid @ 1 (FIQ_26 / FIQ_32)
             .long __irq_invalid @ 2 (IRQ_26 / IRQ_32)
             .long __irq_svc @ 3 (SVC_26 / SVC_32)